MOS管工作原理

作者:Joey 分类: 电子相关 发布于:2018-5-11 10:10 ė3649次浏览 60条评论

场效应管的工作原理及特性

场效应管(FET)分为结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)管,即金属-氧化物-半导体。下面以增强型NMOS为例,介绍MOS管的工作原理。

MOS管的基本结构

增强型NMOS的结构图如图 18所示,在参杂浓度较低的P型硅衬底上,制作两个高参杂浓度的N型沟槽。分别用铝从两个N型沟槽中引出两个电极分别作为源极S和漏极D(此时的源极和漏极在结构上没有区别是可以互换的)。然后在半导体的表面覆盖一层很薄的SiO2绝缘层。在漏源极间的绝缘层上再装上一个铝电极;作为栅极G。另外在衬底上也引出一个电极B。

1.jpg 图18

在出厂前大多数MOS管的衬底已经和源极连在了一起,此时源极S和漏极D就有了区别,不能再互换了。

MOS管出现导电沟道(反型层的形成)

在UGS=0时,无论UDS的大小和极性,都会使得2个GS和DG这两个PN结中一个正偏,另一个反偏。但是由于两个N区之间被P衬底隔离,所以没有办法形成电流,情况如图 19所示。

2.jpg 图19

当在栅源极之间加上正向电压(所谓的正向电压永远是指电场方向是从P区指向N区)后,则在栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场,这个电场能排斥空穴而吸引电子,因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,剩下不能移动的受主离子(负离子),形成耗尽层,同时P衬底中的少子电子被吸引到衬底表面。当UGS增加大一定大小时,随着SiO2绝缘层中电场的增强,会将更多的电子吸引到P衬底的表面,于是栅极附近会形成一个N型薄层,且与两个N区联通。此时就形成了导电沟道,于是在DS之间就有电流可以通过了,其情况如图 20所示。

3.jpg 图20 

在这个阶段,如果UDS保持不变,UGS增加会导致导电沟道变厚,从而ID变大。

MOS管预夹断的形成

(预夹断的形成是在理解初期的一个难点,这里的描述是参考了一些文献之后自己的理解,正确性还需要考证)

当UGS>UGSTH时,导电沟道形成,与S和D极连在一起形成了一个大的N型半导体。所以当在DS间加上正电压之后,电流可以在N型半导体中流动。

设想UDS=0时,ID=0,SiO2绝缘层与导电沟道之间的电场是均匀分布的,即从D到S的导电沟道一样厚。但是导电沟道作为导体的一部分,一定是有电阻的。随着UDS的增加,ID的增大,靠近S端的电势会比靠近N处的电势要低。这里很重要的一点是在这个过程中SiO2平面上各个点的电势是均匀的,所以在导电沟道不同点与SiO2之间的电场强度是不一样的。

如果以S端的电势为0的话,随着ID的不断增大,D点的电势会达到UGS-UGSTH。此时UG与UD之间的电势差为UGSTH,此时靠近D点处的电势差恰好达到可以产生导电沟道的情况,于是在D极处就开始出现如图 21所示的预夹断。

21.jpg图 21

随着ID的继续增大,预夹断的点会不断往左移动,如图 22所示。但是无论如何移动,预夹断点与G之间的电压差保持为|UGSTH|。

22.jpg图 22

另外非常重要的一点是,在预夹断的区域内,纵向的电势差不足以出现导电沟道,但是由于DS间的电势差都落在了这段预夹断区域内(即D极至夹断点区域内,且方向是从D极横向指向夹断点),于是夹断区内有很强的横向电场。于是当载流子到达夹断区边沿时,会被电场拉出,从D极输出。所以预夹断并不是不能导电,反而可以很好地完成导电。

预夹断的过程中ID为什么不变

有了以上认识就可以解释为什么在预夹断过程中UDS继续增大,ID的值可以保持不变。在进入预夹断之后,UDS继续增大的过程中,夹断点不断向S极移动,但是保持了夹断点和S极之间的电压保持不变(数值上等于|UGSTH|)。即增加的UDS的电压全部落在了夹断区内。(这里有一点没法从原理上解释,但是可以从结果反推,就是虽然导电沟道的长度在缩短,但是电阻值没有什么变化)于是ID的值保持不变。

当反向电压达到一定程度的时候就出现了反向击穿,场效应管就坏了。

场效应管的特性曲线
23.jpg图 23
24.jpg图 24
图 23和图 24的左侧为漏极输出特性曲线,右侧为转移特性曲线。

特性曲线中在VGS=-4V的曲线下方可以成为截止区,该区域的情况是VGS还没有到达导电沟道导通电压,整个MOS管还没有开始导电。

可变电阻区又称为放大区,在VDS一定的的情况下ID的大小直接受到VGS的控制,且基本为线性关系。注意三极管中的放大区和MOS管的放大区有很大区别,不能觉得是相似的。

恒流区又称为饱和区,此时ID大小只收到VGS的控制,VDS变化过程中ID的大小不变。

场效应管的符号

场效应管的分类列表如下:
25.jpg图 25

结型场效应管(JFET)和绝缘栅性场效应管(MOSFET)的区别
26.jpg图 26

本文中详细介绍的是绝缘栅型场效应管,如图26右侧图所示。而左侧这种结构称为结型场效应管,其工作原理大致如下:

在UGS没有电压的情况下,在两个P区之间形成N区通道,连接着D极和S极。当UDS有电压时在N型半导体内形成电流。当G、S间加上反向电压UGS后(所谓反向电压是指从N区指向P区的电压),在电场力作用下N区通道逐渐变窄,直至消失,从而ID减为0。其特性曲线如图 27所示。
27.jpg图 27

1.增强型绝缘栅晶体管和耗尽型绝缘栅晶体管
28.jpg图 28

本文中详细介绍的是增强型绝缘栅型场效应管,耗尽型绝缘栅型场效应管在SiO2绝缘层中掺杂了大量的金属正离子,所以在UGS没有电压的情况下这些正离子感应出反型层,形成导电沟道;于是UGS的作用就是抑制导电沟道。

1.P沟道还是N沟道
  就是中间的半导体类型是P还是N。

2.符号的说明
只有一根垂直线的为结型场效应管;两个线的为绝缘栅型晶体管。

第二根线为虚线,为增强型绝缘栅型晶体管;为实线的为耗尽型晶体管。

箭头永远从P指向N,而且永远是从G(漏)极输出。结型场效应管和绝缘栅型晶体管箭头作用看起来有点反的原因是G极的位置不同了。

 

MOS管与三极管的区别

场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极e、基极b和集电极c,作用相似。
场效应管是电压控制电流器件,场效应管的栅极基本不需要电流;而三极管的基极总是需要一些电流的。所以在希望控制端基本没有电流的情况下应该是一场效应管;而在允许一定量电流时,选取三极管进行放大可以得到较场效应管更大的放大倍数。
场效应管是利用多子导电,三极管是即利用多子又利用少子。少子的浓度收到温度、辐射等外界条件影响场效应管相比于三极管温度稳定性好、抗辐射能力强。
当场效应管的源极和衬底没有连接在一起时,源极和漏极可以互换使用。而三极管的集电极和设计差异很大,不能互换。
场效应管的噪声系数小,在信噪比是主要矛盾时选择场效应管。

 

-----以上ZZ From https://blog.csdn.net/techexchangeischeap/article/details/71430330

 

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1,MOS管种类和结构
MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管型号和增强型的P沟道MOS管型号,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种。至于为什么不使用耗尽型的MOS管,不建议刨根问底。对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小,且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS。下面的介绍中,也多以NMOS为主。 MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,后边再详细介绍。在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载,这个二极管很重要。顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。

 

2,MOS管导通特性
导通的意思是作为开关,相当于开关闭合。NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。

3,MOS开关管损失
不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有。MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

4,MOS管驱动
跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。
在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。
第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。
上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了。

5,MOS管应用电路
MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源,也有照明调光。
现在的MOS驱动,有几个特别的需求。1,低压应用当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。 同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。

 

-----以上ZZ From http://www.kiaic.com/article/detail/151

 

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